基于單目攝像機(jī)的3d空間測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及視頻監(jiān)控領(lǐng)域，尤其涉及一種基于單目攝像機(jī)的3D空間測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 單目攝像機(jī)通過單次拍攝無法形成3D視覺。在沒有預(yù)知尺寸的參考物體進(jìn)行輔 助測(cè)量，也不知道攝像機(jī)架設(shè)高度和鏡頭中軸線與地面的夾角時(shí)，無法測(cè)量被拍攝物體與 攝像機(jī)安裝點(diǎn)之間的相對(duì)坐標(biāo)。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，單目攝像機(jī)單次拍攝時(shí)，通過拍攝預(yù)知尺寸的參考物體，根據(jù)圖像中 被拍攝的參考物體所占的像素、實(shí)際物體尺寸、攝像機(jī)與地面的夾角，計(jì)算出物體尺寸與攝 像機(jī)拍攝圖像的像素之間的比例關(guān)系。然后，在后續(xù)的拍攝中，不改變攝像機(jī)的安裝參數(shù)， 只需要按照被拍攝物所占的像素個(gè)數(shù)計(jì)算出物體的實(shí)際尺寸。通過攝像機(jī)與地面的夾角和 架設(shè)桿的高度，可以計(jì)算出被拍攝物體與攝像機(jī)之間的相對(duì)坐標(biāo)。
[0004] 通過上述過程可以看出，單目攝像機(jī)單次拍攝需要具備很多外在條件，需要攝像 機(jī)安裝數(shù)據(jù)，如架設(shè)桿高度、攝像機(jī)與地面的夾角；需要使用標(biāo)定物，人工進(jìn)行輔助標(biāo)定計(jì) 算得到換算參數(shù)；后續(xù)使用中不能改變攝像機(jī)安裝參數(shù)，否則必須重新標(biāo)定，適應(yīng)性不好。
[0005] 或者現(xiàn)有技術(shù)通過雙眼攝像機(jī)拍攝同一物體，或單目攝像機(jī)在兩個(gè)不同的位置與 角度拍攝同一物體，通過在圖像中的不同位置，實(shí)現(xiàn)3D視覺感知。但是必須使用兩個(gè)攝像 機(jī)，或是為單個(gè)攝像機(jī)提供移動(dòng)的導(dǎo)軌及驅(qū)動(dòng)裝置，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于單目攝像機(jī)的3D空間測(cè)量方法，該方法包括：
[0007] 分別對(duì)地面上的待測(cè)點(diǎn)和輔助測(cè)試點(diǎn)對(duì)焦，獲取對(duì)應(yīng)成像參數(shù)，其中，所述輔助 測(cè)試點(diǎn)位于攝像機(jī)光軸在地面的投影線上，所述待測(cè)點(diǎn)與所述輔助測(cè)試點(diǎn)物距不同，且兩 次成像的攝像機(jī)安裝參數(shù)不變；
[0008] 根據(jù)所述待測(cè)點(diǎn)和所述輔助測(cè)試點(diǎn)的成像參數(shù)，對(duì)兩次成像進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，獲得 所述待測(cè)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，所述相對(duì)坐標(biāo)的參考坐標(biāo)系為，以攝像機(jī)安裝支點(diǎn)在地面的投影 為原點(diǎn)，以該支點(diǎn)與地面的垂線為Y軸，以攝像機(jī)光軸沿地面的投影為X軸，以與X軸和Y 軸垂直的方向?yàn)閆軸。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種基于單目攝像機(jī)的3D空間測(cè)量裝置，該裝置包括：
[0010] 成像參數(shù)獲取單元，用于分別對(duì)地面上的待測(cè)點(diǎn)和輔助測(cè)試點(diǎn)對(duì)焦，獲取對(duì)應(yīng)成 像參數(shù)，其中，所述輔助測(cè)試點(diǎn)位于攝像機(jī)光軸在地面的投影線上，所述待測(cè)點(diǎn)與所述輔 助測(cè)試點(diǎn)物距不同，且兩次成像的攝像機(jī)安裝參數(shù)不變；
[0011] 相對(duì)坐標(biāo)計(jì)算單元，用于根據(jù)所述待測(cè)點(diǎn)和所述輔助測(cè)試點(diǎn)的成像參數(shù)，對(duì)兩次 成像進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，獲得所述待測(cè)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，所述相對(duì)坐標(biāo)的參考坐標(biāo)系為，以攝像機(jī) 安裝支點(diǎn)在地面的投影為原點(diǎn)，以該支點(diǎn)與地面的垂線為Y軸，以攝像機(jī)光軸沿地面的投 影為X軸，以與X軸和Y軸垂直的方向?yàn)閆軸。
[0012] 本發(fā)明利用單目攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)計(jì)算待測(cè)點(diǎn)的空間相對(duì)坐標(biāo)，而無需測(cè)量攝像 機(jī)的安裝參數(shù)以及對(duì)標(biāo)定物進(jìn)行標(biāo)定，節(jié)省了人力、物力以及時(shí)間成本，簡(jiǎn)化的操作過程。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明一種實(shí)施方式中基于單目攝像機(jī)的3D空間測(cè)量的邏輯結(jié)構(gòu)及其基 礎(chǔ)硬件環(huán)境的示意圖。
[0014] 圖2是本發(fā)明一種實(shí)施方式中基于單目攝像機(jī)的3D空間測(cè)量方法的流程圖。
[0015] 圖3是單目攝像機(jī)安裝示意圖。
[0016] 圖4是本發(fā)明一種實(shí)施方式中光學(xué)成像示意圖。
[0017] 圖5是本發(fā)明一種實(shí)施方式中成像點(diǎn)在圖像采集傳感器的Y軸方向的像高示意 圖。
[0018] 圖6是透鏡成像原理示意圖。
[0019] 圖7是本發(fā)明一種實(shí)施方式中成像點(diǎn)在圖像采集傳感器的Z軸方向的像高示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0021] 本發(fā)明提供一種基于單目攝像機(jī)的3D空間測(cè)量裝置，以下以軟件實(shí)現(xiàn)為例進(jìn)行 說明，但是本發(fā)明并不排除諸如硬件或者邏輯器件等其他實(shí)現(xiàn)方式。如圖1所示，該裝置運(yùn) 行的硬件環(huán)境包括CPU、內(nèi)存、非易失性存儲(chǔ)器以及其他硬件。該裝置作為一個(gè)邏輯層面的 虛擬裝置，其通過CPU來運(yùn)行。該裝置包括成像參數(shù)獲取單元和相對(duì)坐標(biāo)計(jì)算單元。請(qǐng)參 考圖2,該裝置的使用和運(yùn)行過程包括以下步驟：
[0022] 步驟101，成像參數(shù)獲取單元分別對(duì)地面上的待測(cè)點(diǎn)和輔助測(cè)試點(diǎn)對(duì)焦，獲取對(duì)應(yīng) 成像參數(shù)，其中，所述輔助測(cè)試點(diǎn)位于攝像機(jī)光軸在地面的投影線上，所述待測(cè)點(diǎn)與所述 輔助測(cè)試點(diǎn)物距不同，且兩次成像的攝像機(jī)安裝參數(shù)不變；
[0023] 步驟102,相對(duì)坐標(biāo)計(jì)算單元根據(jù)所述待測(cè)點(diǎn)和所述輔助測(cè)試點(diǎn)的成像參數(shù)，對(duì)兩 次成像進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，獲得所述待測(cè)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，所述相對(duì)坐標(biāo)的參考坐標(biāo)系為，以攝像 機(jī)安裝支點(diǎn)在地面的投影為原點(diǎn)，以該支點(diǎn)與地面的垂線為Y軸，以攝像機(jī)光軸沿地面的 投影為X軸，以與X軸和Y軸垂直的方向?yàn)閆軸。
[0024]本發(fā)明在不改變單目攝像機(jī)安裝參數(shù)（位置、高度、云臺(tái)角度等）的情況下，對(duì)待 測(cè)點(diǎn)及輔助測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行成像，并根據(jù)成像參數(shù)對(duì)兩次成像進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，獲得待測(cè)點(diǎn)的空 間坐標(biāo)。具體處理過程如下。
[0025] 如圖3所示，單目攝像機(jī)通過立桿垂直安裝于E點(diǎn)。以E點(diǎn)為原點(diǎn)建立參考坐標(biāo) 系，計(jì)算待測(cè)點(diǎn)相對(duì)于該坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)。該坐標(biāo)系的X軸為攝像機(jī)光軸方向在地面的 投影，Y軸為立桿方向，Z軸垂直于XY平面。圖中物體AD與地面的交點(diǎn)A為待測(cè)點(diǎn)，地面上 的B點(diǎn)為輔助測(cè)試點(diǎn)，在攝像機(jī)光軸沿地面的投影上。
[0026] 如圖4所示，圖中給出了攝像機(jī)的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，其中，鏡頭光學(xué)中心為攝像機(jī)鏡頭多 鏡片所形成的虛擬光學(xué)中心，鏡頭光學(xué)中心與攝像機(jī)安裝支點(diǎn)的距離（沿?cái)z像機(jī)光軸方 向）為r，前后兩次成像可能有所變動(dòng)。為攝像機(jī)光軸與地面的夾角。
[0027] 在不改變攝像機(jī)安裝參數(shù)（高度、光軸角度、方向）的情況下，利用單目攝像機(jī)分 別對(duì)A點(diǎn)和B點(diǎn)對(duì)焦，獲取對(duì)應(yīng)成像參數(shù)。A點(diǎn)在圖像傳感器上的成像點(diǎn)為a點(diǎn)，B點(diǎn)在圖 像傳感器上的成像點(diǎn)為b點(diǎn)，像與物均投射到與光軸垂直的平面上，以便于計(jì)算推導(dǎo)。Pi為 一次成像物平面，即A點(diǎn)所在物平面；P2為二次成像物平面，即B點(diǎn)所在物平面。由此得到， 一次成像的像距Vi、焦距Fi以及鏡頭光學(xué)中心與安裝支點(diǎn)的距離η;二次成像的像距￥2、焦 距F2以及鏡頭光學(xué)中心與安裝支點(diǎn)的距離r2。
[0028] 根據(jù)成像點(diǎn)在圖像傳感器中的位置計(jì)算像高，如圖5所示。圖中上方的成像點(diǎn)為 b點(diǎn)，下方成像點(diǎn)為a點(diǎn)。根據(jù)物理尺寸與沿物理尺寸方向?qū)?yīng)像素點(diǎn)數(shù)量成正比關(guān)系，計(jì) 算成像點(diǎn)沿XY平面的物理尺寸（像高）。圖中S為圖像傳感器沿XY平面有效像素范圍的 物理尺寸；Si為a點(diǎn)距離圖像傳感器中心水平線的垂直距離，即A點(diǎn)的成像高度；S2為b點(diǎn) 距離圖像傳感器中心水平線的垂直距離，即B點(diǎn)的成像高度。
[0029] 通過上述過程，獲得A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像距I、焦距匕、像高Si以及鏡頭光學(xué)中心與安裝 支點(diǎn)的距離^ ;獲得B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像距V2、焦距F2、像高S2以及鏡頭光學(xué)中心與安裝支點(diǎn)的距 離^。根據(jù)上述成像參數(shù)對(duì)兩次成像進(jìn)行關(guān)聯(lián)計(jì)算，獲得